運動の学習に伴う脳内誤差信号の情報表現の変容とそれを基盤とした学習指導方法の開発
| Project/Area Number |
23K21610
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| Project/Area Number (Other) |
21H03339 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 59030:Physical education, and physical and health education-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柳原 大 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柿澤 昌 地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター(東京都健康長寿医療センター研究所), 東京都健康長寿医療センター研究所, 研究部長 (40291059)
舩戸 徹郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
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| Keywords | 歩行 / 小脳 / プルキンエ細胞 / 誤差情報 / シナプス可塑性 / 適応 / 肢間協調 / 脊髄小脳変性症 / 誤差 / 脳梗塞 / スプリットベルトトレッドミル / 運動学習 / 下オリーブ核 / マウス / ラット / 登上線維 |
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| Outline of Research at the Start |
運動の適応・学習には誤差信号が重要な役割を果たしており、小脳においては下オリーブ核‐登上線維系がプルキンエ細胞に誤差信号を伝えている。本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける運動の適応・学習において、登上線維系による信号の時空間的な分解能など情報表現の変容について、運動学習の際のプルキンエ細胞のカルシウムイメージング法による解析を行う。情報理論的観点から、被説明変数として登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する誤差信号の活動パターンと、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数との関係を詳細に調べる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
スポーツ及び日常生活における種々の運動技能は、繰り返しの練習・学習によって脳に獲得される。運動の学習を導くためには、脳において生成される誤差信号が重要な役割を果たしており、運動の制御及び学習に重要な役割を果たしている小脳においては、延髄の下オリーブ核ニューロンの軸索である登上線維が小脳プルキンエ細胞に誤差信号を伝えていると考えられている。
本研究においては、マウスを対象に運動の適応・学習パラダイムとして、左右分離型ベルトトレッドミル（split-belt treadmill）における歩行課題を課し、左右のベルト速度を変化させたsplit-belt条件での適応と、その後で左右のベルト速度を同一に戻したtied-belt条件の際の後効果(after-effect)を運動学的に解析した。この歩行課題における小脳の役割を明らかにするために、小脳プルキンエ細胞の変性・脱落を生じている脊髄小脳失調症６型モデルマウス、プルキンエ特異的mTOR活性化マウスを調べた結果、適応や後効果に顕著な障害が認められた。
さらに、この適応に関わる小脳の領域を特定するために、ローズベンガル (rose bengal)と緑色レーザー光を用いたphotothrombosis法による小脳梗塞を小脳の特定の領域において誘発する実験系を確立した。
研究計画においては、in vivoカルシウムイメージングとして、活動依存性マンガン造影MRIを適用して、運動学習時にプルキンエ細胞集団としてカルシウム濃度の増大が生じているhotspotsを同定し、時空間的なパターンについて調べる予定であったが、マウス用MRIの故障により、他の代替方法によるカルシウムイメージングを準備している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
特注製作したマウス用左右分離型ベルトトレッドミルの動作不全により、マウスを対象にした歩行実験に遅れが生じた。また、in vivoカルシウムイメージングの１つの方法として活動依存性マンガン造影MRIによる小脳皮質のカルシウムイメージングを行う予定であったが、MRI装置が故障して稼働できなくなったために大きな遅れが生じたことによる。
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| Strategy for Future Research Activity |
マウスにおける歩行中の小脳皮質のカルシウムイメージングとして、蛍光カルシウムセンサーを発現するトランスジェニックマウスを用いて、小脳皮質のニューロン活動を大規模に計測する超広視野高速イメージング技術を適用する予定で準備を進めている。
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Report
(2 results)
Research Products
(19 results)
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[Presentation] ネコ後肢の神経筋骨格モデルを用いた感覚フィードバックによる歩行適応機序の解析2022
Author(s)
金 勇紀, 青井 伸也, 藤木 聡一朗, Danner, S. M., Ausborn, J., Markin, S. N., Rybak, I. A, 柳原 大, 泉田 啓，土屋 和雄
Organizer
計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
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[Presentation] SCA31 transgenic mice show pathogenic features similar to human patients2021
Author(s)
Higashi, M., Okita, M., Sato, N., Asaka, M., Aoki, H., Ishii, T., Ishiguro, T., Yanagihara, D., Yokota, T., Ishikawa, K.
Organizer
17th Asian Oceanian Congress of Neurology
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Int'l Joint Research
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